Wszechświat cząstek elementarnych (dla humanistów) Maria Krawczyk i A. Filip Żarnecki Instytut Fizyki Teoretycznej Instytut Fizyki Doświadczalnej Wydział Fizyki UW Odkrycie cząstki Higgsa w LHC (CERN ) - 4 lipca 2012 Nagroda Nobla 2013: F. Englert, P.Higgs Nowe odkrycia 2015 ?
38
Embed
Wszechświat cząstek elementarnych (dla humanistów)hep.fuw.edu.pl/u/zarnecki/wce15/wyklad01.pdf · W fizyce cząstek praktycznie zawsze musimy uwzględniać teori efekty relatywistyczneę
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Instytut Fizyki Teoretycznej Instytut Fizyki Doświadczalnej
Wydział Fizyki UW
Odkrycie cząstki Higgsa w LHC (CERN ) - 4 lipca 2012 Nagroda Nobla 2013: F. Englert, P.Higgs Nowe odkrycia 2015 ?
2015: Międzynarodowy Rok Światła
http://www.unesco.pl/644/
•Opisanie zasad optyki -Ibn Al Haythema 1015 r. •Falowa natura światła - Fresnel 1815 r. •Opis fal elektromagnetycznych – Maxwell 1865 r. •Zjawisko fotoelektryczne (foton) -Einstein 1905r. •Szczególna teoria względności (czasoprzestrzeń, prędkość światła) - Einstein 1915 r. •Odkrycie mikrofalowego tła kosmicznego – Penzias i Wilson -1965 r.
•Wykorzystanie światłowodów do celów telekomunikacyjnych – Kao 1965
Tytuł wykładu: Wszechświat Cząstek Elementarnych -świat cząstek bardzo różnorodny -opis Wszechświata nie jest możliwy bez zrozumienia oddziaływań cząstek elementarnych
Notacja naukowaNotacja naukowa
W fizyce mamy często do czynienia z bardzo W fizyce mamy często do czynienia z bardzo dużymi lub bardzo małymi wielkościami. dużymi lub bardzo małymi wielkościami. Chcemy łatwiej się nimi posługiwać.Chcemy łatwiej się nimi posługiwać.
Przykład: odległość ZiemiaPrzykład: odległość Ziemia--Słońce 1 AU = 150 000 000 000 mSłońce 1 AU = 150 000 000 000 mnotacja naukowa: 1 AU = 1.5 * 10 notacja naukowa: 1 AU = 1.5 * 10 1111 m m 11 cyfr po 111 cyfr po 1
Przykład: atom wodoru Przykład: atom wodoru –– rozmiar 1 rozmiar 1 ÅÅ = 0.000 000 000 1 m= 0.000 000 000 1 mnotacja naukowa: 1 notacja naukowa: 1 ÅÅ = 10 = 10 --1010 m = m = 11//10101010 m m 1 na 10 miejscu1 na 10 miejscu
Notacja naukowaNotacja naukowaWykładnik potęgi 10 określa nam „rząd wielkości”Wykładnik potęgi 10 określa nam „rząd wielkości”
1 rząd wielkości:1 rząd wielkości:różnica o czynnik 10różnica o czynnik 10
~1 mm = 10~1 mm = 10--33 m ~10 000 km = 10m ~10 000 km = 107 7 mm
Notacja naukowa Duże liczby Deka,hekto,kilo,mega,giga,tera,peta,exa,zetta,yotta da h k M G T P E Z Y 10 102 103 106 109 1012 ….. 1024 Małe liczby Decy,centy,mili,mikro,nano,pico,femto,atto,zepto,yocto d c m μ n p f a z y 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 ….. ….. 10-24
Przykład: 1fm = 10-15 m 1 GeV = 109 eV 1 TeV = 103 GeV Pomiar do am =10-18 m (fizyka nanonano – tu kwarki i np.. elektron…)
← atto,zepto,yocto peta,exa,zetta,yotta
Materia
p
← atto,zepto,yocto peta,exa,zetta,yotta
p Materia i Wszechświat
W świecie cząstek elementarnych obowiązują: 1. teoria względności i prawa mechaniki kwantowej 2. niektóre znane z makroświata prawa zachowania np. energii i pędu oraz ładunku elektrycznego
W mechanice kwantowej nowe pojęcia: - porcja energii, - nieoznaczoność Heisenberga (nie można z dowolną dokładnością znać położenia i pędu (energii) cząstki) -> im większy pęd cząstki tym mniejszy rozmiar Teoria względności: graniczna prędkość cząstek fiz. (prędkość światła c), czaso-przestrzeń związek masy i energii E = mc2
Fizyka Cząstek Elementarnych = Fizyka Wysokich Energii
W badaniu struktury materii stosowane są coraz większe energie:
zasada nieoznaczoności Heisenberga → większa energia umożliwia dotarcie do coraz mniejszych struktur Związek E = mc2 → większa energia
umożliwia produkcję nowych bardziej masywnych cząstek
Uwaga: stosujemy elektrowolt eV jako jednostkę energii E i masy m, gdyż E i m różnią się jedynie stałą prędkością światła c (formalnie oznacza to przyjęcie c =1)
Plan wykładu
1. O fizyce cząstek elementarnych 2. Detekcje cząstek. Przyspieszacze i zderzacze. Wielkie eksperymenty 3. Hadrony, kwarki i leptony 4. Teoria cząstek elementarnych 5. Poszukiwanie cząstki Higgsa 6. Rozszerzenie Modelu Standardowego 7. Powstanie i budowa Wszechświata 8. Ciemna materia, ciemna energia
Materiały pomocnicze Literatura 1. Martinus J.G. Veltman, Facts and Mysteries in Elementary Particle
Physics, World Scientific 2003 2. Frank Close, Kosmiczna Cebula - Kwarki i Wszechświat, PWN 1989 3. L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka, jeśli Wszechświat jest
odpowiedzią, jak brzmi pytanie?, Prószyński i S-ka, Warszawa 2005 4. M. J. G. Veltman, The Higgs Boson, Scientific American 255:88-94,1986
(Issue no 5). 5. Y. Nambu, A Matter of Symmetry, Scientific American, May 1992, str. 37 6. DELTA 5/2000 Pytania do poszczególnych wykładów - każdemu wykładowi towarzyszyć będą pytania, które
stanowić będą następnie podstawę egzaminu testowego
Warunki zaliczenia / zaliczenie na ocenę:
1. obecność na wykładach obowiązkowa dopuszczona jest nieusprawiedliwiona nieobecność na dwóch wykładach, kolejne nieobecności obniżają ocenę 2. 50% punktów z egzaminu testowego 30 pytań (max 1 zdanie odpowiedzi) Każdemu wykładowi towarzysza pytania, które są podstawą egzaminu testowego 3. egzamin – sobota 13 (?) czerwca 2015 r
Fizyka cząstek elementarnych
Fizyka XX wieku Wiek XX – niezwykły rozwój fizyki,
pojawiły się fundamentalne idee: - pierwsza połowa XXw : teoria kwantów teoria względności (szczególna teoria względności) teoria grawitacji (ogólna teoria względności) - druga połowa XXw : fizyka cząstek elementarnych (teoria cząstek elementarnych lata 70-e XX w.)
Cząsteczki, atomy, jądra atom. i cząstki elem. Materia składa się z cząsteczek (molekuły, drobiny)
np. woda H2O, H=wodór, O=tlen Cząsteczki stany związane atomów (ok. 100
różnych atomów w naturze) Atomy = stany związane jąder atomowych i elektronów Atomy są prawie puste- rozmiar atomu 1/100 000 000 cm, jądro 100 000 mniejsze Rutherford ustalił to w 1911 bombardując złoto ciężkimi cząstkami alfa (α) Jądro = stany związane protonów i neutronów
nukleony
Atomy i jądra atomowe Nukleony → proton p (ładunek elektryczny = +1) (elektron e ma ładunek el. = -1) → neutron n (ładunek elektryczny = 0) Atomy i jony → są neutralne elektrycznie: dodatnie jądro i ujemne elektrony → jeśli oderwiemy jeden lub więcej elektronów powstają jony (ładunek el. dodatni). Jonizacja. Przykłady atomów: Wodór H = p e- - najlżejszy atom Deuter D = pn e- - ciężki wodór (→ ciężka woda) Tryt T = pnn e- Hel He = ppnn e-e- (→ ppnn = cząstka alfa α) Fizyka jądrowa → badanie jąder atomowych
Zoo cząstek elementarnych Definicja: cząstka elementarna to 'obserwowany' obiekt prostszy niż jądro atomowe (wyjątek stanowi najprostsze jądro H (wodór), czyli proton, który jest cząstką elementarną.) Cząstki elementarne - dużo (1000) i różnorodne (Zoo): aktualne dane http://pdg.lbl.gov/ różne masy, różne czasy życia (mogą się rozpadać !), różne ładunki elektryczne, różne sposoby oddziaływań, grupowanie się w różne układy (multiplety) Cząstki elementarne mogą być złożone (proton) ! najmniejsze składniki → cząstki fundamentalne
Cząstki takie jak proton p i neutron n to stany związane kwarków.
Cząstki fundamentalne (np. kwarki) – cząstki bez wewnętrznej struktury
Cząstki przenoszące oddziaływania fundamentalne to też cząstki fundamentalne Fizyka cząstek elementarnych zajmuje się obecnie
poziomem fundamentalnym – cząstkami fundamentalnymi i ich oddziaływaniami
Model Standardowy
Antycząstki (antymateria) Antycząstki to też cząstki, choć mogą się różnić od swoich
„partnerów” pewnymi własnościami. Cząstki i antycząstki mają tę samą masę i czas życia. Elektron i pozyton – to para cząstka-antycząstka (ale która jest
którą to sprawa umowy); różnią się znakiem ładunku elektrycznego (pozyton ma ładunek dodatni).
Elektron odkryto w 1897 a pozyton dopiero w 1932 Istnienie antycząstek wynika z prawa przyrody. Przewidywanie
teoretyczne istnienia antycząstki - P. Dirac’ 1928 (mylnie uważał proton za antycząstkę do elektronu, choć kłopot z masami..) Cząstka i antycząstka mogą oddziaływać b. gwałtownie – znikać
(anihilacja) i pojawiać się w parach (kreacja) Cząstka może być swoją antycząstką We Wszechświecie nadwyżka materii nad antymaterią! Oznaczenie: kreska nad symbolem cząstki np. kwark u i antykwark u
Nukleony i zwykłe kwarki (oraz klej czyli gluony)
Proton p i neutron n zbudowane są z 3 kwarków Są to kwarki: u (up) i d (down) → zwykłe kwarki Wszystkie kwarki występują w 3 stanach (barwach,kolorach) - nowa liczba kwantowa czerwone, zielone i niebieskie ( to tylko nazwy) Kwarki są fundamentalne.. Ale nie występują jako cząstki swobodne – a proton i neutron tak. W nukleonach są gluony sklejające całość (w atomie tę rolę pełnią fotony, nośniki sił elektromagnetycznych (e-m) )
d
u
u proton= neutron=
d u
Odkrycia cząstek elementarnych 'potop' w latach 50-60 XX w
Foton γ
Neutrino ν
Jednostki energii
Joul Joul (J) jest jednostką „astronomiczna” w świecie cząstek, (J) jest jednostką „astronomiczna” w świecie cząstek, potrzebujemy bardziej praktycznej jednostkipotrzebujemy bardziej praktycznej jednostki
1 1 eVeV (elektronowolt) = energia jaką elektron zyskuje w (elektronowolt) = energia jaką elektron zyskuje w wyniku działania pola elektrycznego przy napięciu 1Vwyniku działania pola elektrycznego przy napięciu 1V
1 1 eVeV = 1.6 * 10= 1.6 * 10--1919 JJ
Jednostki pochodne: 1 Jednostki pochodne: 1 keVkeV, 1 , 1 MeVMeV, 1 , 1 GeVGeV, 1 , 1 TeVTeVDla mas stosujemy te same jednostki, np. masa protonu ~1 GeV
Masa i energia:efekty relatywistyczne W fizyce cząstek praktycznie zawsze musimy uwzględniać teorię wzW fizyce cząstek praktycznie zawsze musimy uwzględniać efekty relatywistyczne ąstki na ogół poruszają się z prędkościami bliskimi c.Cząstki na ogół poruszają się z prędkościami bliskimi c (predkosc swiatla).
Prędkość przestaje być wygodnym parametrem do opisu procesów.Prędkość przestaje być wygodnym parametrem do opisu procesów.Przykład: elektrony w LEP v=0.999 999 999 995*c (E=100 Przykład: elektrony w LEP v=0.999 999 999 995 c (E=100 GeVGeV), ),
protony w LHC v=0.999 999 995*c (E=7 protony w LHC v=0.999 999 995 c (E=7 TeVTeV))
Znacznie wygodniejsza do opisu ruchu cząstki jest energia i pędZnacznie wygodniejsza do opisu ruchu cząstki jest energia i pęd
Energia w teorii względności :Energia w teorii względności :–– Energia spoczynkowa EEnergia spoczynkowa E00 = mc= mc22 wprowadzona przez Einsteinawprowadzona przez Einsteina–– Energia całkowita EEnergia całkowita E22 = E= E00
22 + (+ (pcpc))22 p p –– pęd ciałapęd ciała–– Energia kinetyczna Energia kinetyczna EEkk=E=E--EE00
Zachowana jest tylko energia całkowitaTo nie jest „konwe Zachowana jest tylko energia całkowita,- energia kinetyczna może się zamieniać w masę, masa w energię kinetyczna kinetyczna może się zamieniać w masę, masa w energię kinetyczna
Ko! !
⇒⇒Dzięki temu możemy produkować nowe cząstki i badać ich własnościDzięki temu możemy produkować nowe cząstki i badać ich własności! !
Oddziaływania na poziomie elementarnym i fundamentalnym opisujemy jako wymiane czastek - “nosników”
1 GeV = 1 000 000 000 eV ≈ masa protonu (c=1) Kwarki-wszystkie oddzialywania, leptony (np.elektron)-bez oddz. silnych
⇐ gr⇒ –
Budowa materii (stan obecny)Swiat “codzienny”: 3 “cegiełki” (elektron oraz kwarki u i d) + neutrino⇒ 12 fundamentalnych “cegiełek” materii, masy od 0 do 173 GeV
leptony kwarkipokolenie 1 e νe d u
elektron neutrino el. down up
pokolenie 2 µ νµ s cmion neutrino mionowe strange charm
pokolenie 3 τ ντ b ttaon neutrino taonowe beauty top